guilherme rhoden padilha - ufrgs
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GUILHERME RHODEN PADILHA
ANÁLISE DE CARGAS TÉRMICAS E DIMENSIONAMENTO DE SISTEMA DE AR
CONDICIONADO PARA O SALÃO DE ATOS DA UFRGS
Orientador: Prof. Dr. Paulo Otto Beyer
Porto Alegre
2010
Monografia apresentada ao Departamento de
Engenharia Mecânica da Escola de Engenharia da
Universidade Federal do Rio Grande do Sul,
como parte dos requisitos para obtenção do
diploma de Engenheiro Mecânico.
Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Escola de Engenharia
Departamento de Engenharia Mecânica
ANÁLISE DE CARGAS TÉRMICAS E DIMENSIONAMENTO DE SISTEMA DE AR
CONDICIONADO PARA O SALÃO DE ATOS DA UFRGS
GUILHERME RHODEN PADILHA
BANCA EXAMINADORA:
Porto Alegre
2010
ESTA MONOGRAFIA FOI JULGADA ADEQUADA COMO PARTE DOS REQUISITOS
PARA A OBTENÇÃO DO DIPLOMA DE
ENGENHEIRO(A) MECÂNICO(A)
APROVADA EM SUA FORMA FINAL PELA BANCA EXAMINADORA DO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Prof. Walter Jesus Paucar Casas
Coordenador do Curso de Engenharia Mecânica
AGRADECIMENTOS
Agradeço a meus pais, Ivan e Maria Angélica, porque a cobrança, as lições, o apoio e o
carinho deles durante todos esses anos tornaram este trabalho possível.
Ao meu orientador, Prof. Dr. Paulo Otto Beyer, que mesmo com todos os problemas do
Departamento de Engenharia Mecânica caindo ao mesmo tempo sobre sua mesa, ainda
sacrificava seu horário de almoço para me atender.
Aos funcionários do Salão de Atos da UFRGS, que diversas vezes me guiaram pelo edifício,
às vezes mesmo sem entender exatamente o que eu queria.
E à minha namorada, Fabíola, por compreender minha ausência tantas vezes durante o
semestre.
PADILHA, G. R., Análise de cargas térmicas e dimensionamento de sistema de ar
condicionado para o Salão de Atos da UFRGS. 2010. 28f. Monografia (Trabalho de
Conclusão do Curso de Engenharia Mecânica) – Departamento de Engenharia Mecânica,
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2010.
RESUMO
Como forma de superar as deficiências do sistema de ar condicionado atual do Salão de Atos
da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, já bastante degradado pelo tempo, se propõe
um novo sistema tipo split. Para se dimensionar a potência necessária para os equipamentos é
utilizado o software EnergyPlus. O presente trabalho apresenta as etapas e considerações
feitas para se inserir no programa a geometria do prédio, seus parâmetros construtivos, as
cargas térmicas internas, os horários de uso, as condições climáticas da cidade de Porto
Alegre e o modelo do sistema de ar condicionado proposto. Os resultados mostram potências
de resfriamento razoáveis e dentro do esperado, ainda que consideravelmente menores do que
a dos equipamentos atualmente existentes.
PALAVRAS-CHAVE: Simulação termo-energética, Salão de Atos da UFRGS, ar
condicionado, split, EnergyPlus,.
5
PADILHA, G. R., Thermal Loads Analysis and Air Conditioning System Sizing for
Universidade Federal do Rio Grande do Sul Auditorium. 2010. 28f. Monografia (Trabalho
de Conclusão do Curso de Engenharia Mecânica) – Departamento de Engenharia Mecânica,
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2010.
ABSTRACT
As a way to overcome the deficiencies of the aging air conditioning system of the
Universidade Federal do Rio Grande do Sul Auditorium, a new split system is proposed. A
software, EnergyPlus, is used for performing equipments sizing. This text presents the steps
and conjectures made for inputting building geometry, constructive parameters, internal heat
gains, occupancy schedules, climatic conditions for Porto Alegre and the air conditioning
systems templates. The results obtained show reasonable cooling needs, even if considerably
less than today’s installed power.
KEYWORDS: Thermal simulation, EnergyPlus, air conditioning, split.
6
SUMÁRIO
ABSTRACT .............................................................................................................................. 5
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 7
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................ 7
3. APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA ................................................................................ 8
3.1. O PRÉDIO ......................................................................................................................... 8
3.2. O SISTEMA ATUAL VERSUS O SISTEMA PROPOSTO ......................................... 8
3.2.1. Dutos ................................................................................................................................ 9
3.3. O FUNCIONAMENTO DO ENERGYPLUS ............................................................... 10
3.4. METODOLOGIA ............................................................................................................ 10
3.5. MODELAGEM ................................................................................................................ 11
3.5.1. Geometria e materiais .................................................................................................. 11
3.5.2. Dados climáticos ........................................................................................................... 12
3.5.3. Cargas internas ............................................................................................................. 13
3.5.4. Vazão de ar de renovação ............................................................................................ 15
3.5.5. Sistema de ar condicionado ......................................................................................... 15
4. RESULTADOS ................................................................................................................... 15
4.1. ESCOLHA DOS HORÁRIOS ........................................................................................ 15
4.2. RESULTADOS DO DIMENSIONAMENTO............................................................... 17
4.3. SELEÇÃO DE EQUIPAMENTOS ................................................................................ 18
5. CONCLUSÕES ................................................................................................................... 21
6. REFERêNCIAS .................................................................................................................. 22
7. BIBLIOGRAFIA CONSULTADA ................................................................................... 23
APÊNDICES ........................................................................................................................... 24
7
1. INTRODUÇÃO
O sistema de ar condicionado atual do Salão de Atos da UFRGS encontra-se há mais de
duas décadas em operação, e o desgaste dos equipamentos tem levado à ineficiência em
superar as cargas térmicas incidentes sobre os ambientes, bem como a freqüentes paradas para
reparos e altos gastos com manutenção. Em eventos ocorridos no verão são constantes as
reclamações dos presentes quanto ao desconforto excessivo com o calor. Adicionalmente, a
operação do sistema atual não é simples e requer pessoal treinado, que nem sempre se
encontra a disposição. Para resolver estes problemas foi proposto um sistema novo tipo split,
que consiga superar as solicitações térmicas mesmo em dias quentes com ocupação máxima e
reduzir o consumo energético e os gastos com reparos, além de simplificar a operação.
Será feita a análise das cargas térmicas dos ambientes climatizados do prédio do Salão
de Atos e dimensionamento dos equipamentos, a serem instalados após análises comerciais e
liberação de recursos. Para o estudo será utilizado um software desenvolvido para tal
finalidade, o EnergyPlus.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
O EnergyPlus foi inicialmente desenvolvido pelo U.S. Department of Energy
(EnergyPlus Manual, 2010), Departamento de Energia dos Estados Unidos, em colaboração
com laboratórios e entidades ligados à pesquisa energética, a partir da união dos melhores
atributos de dois programas desenvolvidos entre o fim dos anos 70 e o início dos anos 80: o
BLAST (Building Loads Analysis and System Thermodynamics), criado pelo Departamento
de Defesa dos Estados Unidos, e o DOE-2, do Department of Energy (Departamento de
Energia) daquele mesmo país.
A primeira versão do programa foi lançada em abril de 2001, e tal como se mantém até
hoje, é gratuita a qualquer usuário interessado em desenvolver novas edificações mais
energeticamente eficientes ou melhorar o desempenho de construções existentes através do
dimensionamento correto e otimização de sistemas de climatização.
O funcionamento incorreto de um programa com tal objetivo pode levar a problemas
sérios, sejam em termos financeiros ou operacionais. Assim, diversos estudos, ligados ou não
ao DOE, foram conduzidos para se testar a habilidade do programa de prever as cargas
térmicas e comportamento dos sistemas modelados. Os estudos cobriram as mais diversas
condições climáticas e tipos de edificações.
A ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning
Engineers) em seu Handbook of Fundamentals, 2009, descreve seu método denominado
Standard 140 Method of Test for the Evaluation of Building Energy Analysis Computer
Programs, para analisar a validade de programas que simulem comportamento térmico de
construções e ajudar seus desenvolvedores a corrigir falhas nos mesmos. Com base nisso,
Henninger e Witte, 2004, ligados ao DOE, realizaram os testes de acordo com o Standard 140
comparando o EnergyPlus com oito outros softwares do gênero em 62 combinações que
incluem edifícios com altas e baixas inércias térmicas, com e sem janelas, com e sem
sombreamento externo, e em diversas condições de exposição aos fatores climáticos. Das
combinações testadas, em 58 o EnergyPlus respondeu dentro do campo de abrangência dos
demais programas, e nos restantes 4 casos a divergência foi de menos de 5,6%.
Grings, 2003, realizou medições de temperatura ao longo de determinados dias de verão
em uma sala em Porto Alegre para comparar com os resultados obtidos com o EnergyPlus
carregado com geometria e parâmetros construtivos do prédio e dados climáticos da cidade.
Os valores obtidos pelos dois métodos estão bastante próximos e caracterizam o software
como válido para os fins para o qual se propõe.
8
Hagel, 2003, simulou um ambiente de trabalho em Brasília com o EnergyPlus para
analisar como ganhos internos e incidência solar nas janelas alteram a carga térmica de um
ambiente. Os resultados obtidos foram considerados consistentes pela autora e seu trabalho foi
precursor do uso do EnergyPlus no Laboratório de Ar Condicionado e Refrigeração da
Universidade de Brasília.
Silva, 2003, fez uso do EnergyPlus para estimar as cargas térmicas e conseqüente
consumo do sistema de ar condicionado em uma agência bancária de Porto Alegre e comparar
os resultados com o consumo energético medido. Os resultados mostraram-se, em sua
maioria, coerentes e o autor atribui as divergências encontradas a erros na medição do
consumo ou nos dados inseridos no programa.
Em sua dissertação de mestrado, Wallauer, 2003, também utilizou o EnergyPlus para
análise do conforto térmico dos habitantes de edificações populares, em quatro cidades
brasileiras de diferentes regiões, aprovando o programa como ferramenta de simulação.
3. APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA
3.1. O PRÉDIO
O Salão de Atos da UFRGS localiza-se na Avenida Paulo Gama, em Porto Alegre. Sua
construção foi concluída em 1957 e em 1988 uma grande reforma adicionou mais alguns
ambientes, alterou a disposição de outros e instalou o atual sistema de ar condicionado. O
salão principal possui capacidade para 1300 espectadores, mais 338m² de palco com fosso
para orquestra (Pro-Reitoria de Administração, 1988), cinco camarins coletivos, dois
individuais, sala para controles e salas para material. Há também um auditório menor, o
plenarinho, com capacidade para 266 pessoas. Os auditórios são servidos por duas salas de
apoio, hall, circulação, chapelaria e uma sala para autoridades. Duas salas para administração,
sanitários, cozinha e diversos ambientes para os aparelhos do sistema de ar condicionado e
transformadores completam o conjunto, totalizando uma área de mais de 3300m². Desses
ambientes, apenas as casas de máquinas, sanitários, porão e cozinha não são climatizados.
3.2. O SISTEMA ATUAL VERSUS O SISTEMA PROPOSTO
O atual sistema conta com dois chillers, cada um com potência de refrigeração de 120 TR,
que distribuem água gelada a 19 fan-coils distribuídos pelo prédio, com alguns ambientes
condicionados por mais de um deles. Nestes equipamentos a água gelada é usada para resfriar
certa vazão de ar que é insuflada em uma rede de dutos de distribuição e difusores espalhados
pelos ambientes. Após condicionar os ambientes, o ar retorna aos fan-coils para ser
novamente resfriado, e misturado ao ar exterior. O retorno é feito de diversas formas: em
alguns ambientes o ar passa por dentro das paredes, entrando por grades. No palco há dois
pilares ocos por onde o ar é conduzido até os fan-coils localizados em um ambiente fechado
acima dos camarins. Na plateia, embaixo de alguns assentos, existem “cogumelos” de retorno,
que são aberturas que conduzem o ar a um espaço abaixo da plateia que termina em outro
ambiente onde estão sete fan-coils.
Propõe-se a substituição do sistema atual por um conjunto de sistemas tipo split. A
facilidade de operação do sistema proposto é o principal fator que justifica esta escolha. Além
do mais, o sistema de água gelada possui uma quantidade maior de componentes, como
tubulações de circuitos de água, bombas e torres de resfriamento, o que pode levar a um
consumo maior. Embora a comparação entre o consumo dos dois sistemas não seja objetivo
deste trabalho, segundo Beyer, 2010, o sistema split tem obtido melhores resultados.
9
Os ambientes maiores (salão principal, plenarinho, circulação e Hall) serão atendidos
por splits de grande capacidade. O ar resfriado nestes aparelhos será insuflado nos ambientes
aproveitando a rede de dutos existentes. Nas salas menores serão usados aparelhos split
convencionais, de parede, sem uso da rede de dutos. Deve-se, portanto, dimensionar os
equipamentos para o sistema novo e apontar uma seleção preliminar de equipamentos
comercialmente disponíveis.
3.2.1. Dutos
A rede de dutos e difusores presente está bem integrada ao prédio, sendo que cada
equipamento fan-coil está hoje ligado a uma rede de dutos separada. Devido ao custo de
substituição, a elementos no edifício que não podem sofrer alterações e por ausência de razões
técnicas que o justifique, esta rede será mantida como está após inspeção e/ou limpeza dos
dutos. Como os equipamentos fan-coil serão trocados por unidades evaporadoras dos sistemas
split de grande capacidade, os dutos devem estar corretamente dimensionados para a vazão
dos novos equipamentos, caso contrário podem ocorrer problemas de ruído, altamente
indesejáveis em uma casa de espetáculos. A ASHRAE, 2009, descreve o método para o
cálculo da vazão máxima de ar para um duto em aplicações onde o silencio é importante:
(1)
Onde: é a vazão volumétrica em litros por segundo e D é o diâmetro equivalente do duto,
em mm. O diâmetro equivalente para um duto de seção retangular é calculado por:
(2)
Onde “a” e “b” são as dimensões da seção transversal do duto.
O salão principal é climatizado atualmente por 4 fan-coils e por isso possui 4 redes de
dutos: são 3 na plateia (sendo os dois laterais de mesmas dimensões) e 1 no palco. A
circulação possui duas redes independentes e iguais. Ainda, alguns equipamentos fan-coil
possuem duas saídas, e sua vazão é dividida em duas ramificações (de uma mesma rede)
iguais assim que o ar deixa o mesmo. Neste caso a vazão máxima por equipamento (ou por
rede) será calculada pela soma das vazões máximas de cada uma das ramificações. A Tabela
3.1 apresenta as dimensões da rede de dutos e as vazões máximas que cada rede suporta sem
comprometer as condições de ruído. Após o dimensionamento e seleção das unidades
evaporadoras novas, suas vazões informadas pelo fabricante serão comparadas com os valores
aqui calculados para determinar se os dutos permanecem adequados.
Tabela 3.1 – Dimensões e vazões máximas dos dutos a serem aproveitados.
Número de
Equipamentos
iguais
Ramificações
por
equipamento¹
Dimensões de cada
ramificação
Vazão
máxima por
equipamento
[m³/s] a [mm] b [mm]
Platéia Salão
principal -
laterais
2 1 1.390 550 7,12
10
Tabela 3.1 (Cont.) – Dimensões e vazões máximas dos dutos a serem aproveitados.
Número de
Equipamentos
iguais
Ramificações
por
equipamento¹
Dimensões de cada
ramificação Vazão
máxima por
equipamento
[m³/s] a [mm] b [mm]
Platéia Salão
principal -
central
1 1 980 400 2,96
Palco Salão
Principal 1 2 800 680 9,72
Circulação 2 1 760 320 1,59
Plenarinho 1 2 54 46 3,46
Hall 1 2 116 35 2,97
¹ Por ramificação entende-se a divisão imediatamente à saída do aparelho, não considerando
posteriores ramais para distribuição de ar no ambiente.
3.3. O FUNCIONAMENTO DO ENERGYPLUS
O EnergyPlus simula edificações ao longo de um determinado período de tempo, como
um determinado dia de projeto ou um ano inteiro. Para tal, divide este período em passos de
tempo menores. Em cada passo de tempo o programa usa equações internas (balanço de
energia, em sua maioria) para calcular as condições atuais dos ambientes, usando como
valores de entrada os valores do passo de tempo imediatamente anterior. Como o sistema
trabalha com Zonas – cada zona é um ambiente ou conjunto de ambientes submetidos a
condições térmicas semelhantes – há ainda uma parcela de calor trocado entre zonas
adjacentes. Dessa forma, as grandezas computadas devem ser atualizadas também dentro de
um mesmo passo de tempo até a convergência. Em outras palavras, os valores resultantes de
cada passo de tempo são calculados com base nas condições iniciais e de contorno. Estes
valores de saída podem ser totais ao longo do passo, como o consumo de energia, ou médias
no intervalo, como a temperatura. Para simplificar os cálculos, algumas considerações são
feitas pelos modelos que o programa usa: propriedades e temperatura constantes ao longo de
cada superfície, temperatura do ar uniforme dentro de uma mesma zona e fluxos de calor
unidimensionais (EnergyPlus Manual, 2010).
3.4. METODOLOGIA
O objetivo das simulações é dimensionar a capacidade de refrigeração necessária para
cada zona individualmente. Isso significa que durante o dimensionamento do sistema que
atende cada zona todas as demais que fazem fronteira com aquela a ser simulada não estarão
condicionadas, obtendo-se a situação de uso mais crítica possível.
Para definição dos horários de funcionamento de cada sala para as simulações fez-se um
estudo preliminar de variação livre da temperatura em cada ambiente. Não foram
considerados ganhos internos de calor (provenientes da ocupação do prédio) nem sistemas de
ar condicionado (usados apenas nas horas de ocupação). Assim, pode-se estabelecer o horário
mais quente para cada zona, a ser usado na análise. Estes horários serão apresentados na seção
“Resultados”. Como exceção, as duas salas da administração são consideradas ocupadas e
11
condicionadas das 8 horas da manhã até as 18 horas, no seu horário habitual de
funcionamento.
Após a definição dos horários mais críticos para cada ambiente, cada um deles foi
simulado e os dados de temperatura média horária analisados. Assim se define se o
dimensionamento foi correto ou se o desempenho está abaixo do esperado.
Como forma de avaliar se o sistema dimensionado pelo EnergyPlus é adequado usou-se
o seguinte critério: a temperatura média na primeira hora após o ligamento do sistema de ar
condicionado já deve estar dentro da zona de conforto térmico para a maioria dos 17 dias de
projeto. A zona de conforto térmico vai dos 23,5° aos 26.5° no verão e dos 20,5°C aos 23,5°C
no inverno (ASHRAE, 2009). A ASHRAE recomenda, como critério de projeto, que uma
instalação não fique mais de 300 horas por ano fora da zona de conforto, mas esta
recomendação não especifica para quantas horas de funcionamento diárias isto se aplica.
Então, numa instalação de uso pouco freqüente (relativamente a um prédio de escritórios em
horário comercial, por exemplo) como o Salão de Atos da UFRGS, considerou-se que não
seria seguro aplicar esta regra.
3.5. MODELAGEM
3.5.1. Geometria e materiais
A simulação do edifício do Salão de Atos no EnergyPlus passa por diversas etapas
através das quais é gerado um arquivo tipo “idf” que contém todos os dados necessários para
o programa calcular as respostas dos ambientes às condições climáticas, cargas térmicas
internas e ao sistema de ar condicionado.
A primeira etapa foi a inserção da geometria do prédio e sua orientação. Partiu-se de
plantas baixas e cortes que mostram o edifício do Salão de Atos e elementos de seu atual
sistema de ar condicionado (Teknotermo, 1988). Para facilitar a inserção da geometria, foi
usado um plug-in para o Google SketchUp, programa de modelagem 3D, onde o edifício é
desenhado e as coordenadas dos vértices que formam as superfícies do prédio são atualizadas
no arquivo .idf.
Durante a inserção da geometria também foram especificadas as zonas térmicas que
compõem o edifício. Após análise das condições às quais cada ambiente físico do Salão de
Atos está submetido, dividiu-se a geometria em 25 zonas, sendo 15 delas climatizadas.
Grupos de ambientes climatizados por um mesmo fan-coil ou unidade evaporadora dos splits
foram considerados uma mesma zona, como no caso dos cinco camarins coletivos. As zonas
não climatizadas também foram modeladas, pois interferem na carga térmica, sofrendo
insolação, absorvendo energia e armazenando-a no ar em seu interior e nas paredes,
aumentando a inércia térmica do edifício e transmitindo calor aos demais ambientes.
Além das superfícies que delimitam cada zona foram inseridas outras 134, chamadas de
grupos de sombreamento, que correspondem às coberturas existentes ao redor das janelas do
prédio e ao prédio da Reitoria da UFRGS, situado ao lado do Salão de Atos. Estes elementos
bloqueiam a incidência solar direta nas paredes e janelas e sua influência ao longo do ano é
calculada em intervalos de 20 dias pelo software a partir da localização geográfica da cidade
de Porto Alegre. A Figura 3.1 mostra algumas vistas e cortes da geometria modelada.
A seguir é atribuída a cada superfície uma classificação (paredes, pisos, forros, etc.) que
define sua orientação e afeta fatores como coeficientes de convecção. Cada elemento também
possui condições de contorno na sua face externa. Estas condições podem ser outra zona, o
ambiente externo exposto ao sol e ao vento, ou mesmo uma superfície adiabática no caso de
ambientes adjacentes condicionados.
12
Figura 3.1 – Vistas e cortes do modelo do Salão de Atos feitas no Google SketchUp.
Após análise das plantas do edifício e observações no local, foram levantados os
materiais usados na construção e no acabamento, suas espessuras e cores. O EnergyPlus inclui
uma vasta biblioteca de materiais levantada pela ASHRAE e usa seus dados para calcular os
coeficientes globais de transferência de calor, o armazenamento de energia no interior das
superfícies e as trocas radiantes, dentro dos ambientes e por incidência solar.
Estas etapas concluem a inserção da construção do prédio. Cabe ainda ressaltar que para
agilizar os processos de preparação da simulação e o andamento da mesma, algumas
simplificações foram feitas: como o EnergyPlus considera uniforme a distribuição do ar
dentro dos ambientes, paredes e pisos (como o mezanino localizado no hall) dentro de uma
mesma zona foram negligenciados. Diversas faces e detalhes arquitetônicos menores também
foram simplificados quando foi possível manter áreas e volumes equivalentes.
3.5.2. Dados climáticos
Para o dimensionamento dos sistemas foram simulados 16 dias de projeto de verão.
Foram levadas em conta quatro variáveis que podem influenciar na carga térmica de
resfriamento: temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo úmido, conteúdo de umidade e
entalpia do ar atmosférico, recomendadas pela ASHRAE, 2009. Os valores escolhidos foram
aqueles superados em apenas 0,4% das 8760 horas do ano típico de referência (Test Reference
Year – TRY) de Porto Alegre , criando-se assim um “dia genérico” em que ocorrem esses
valores. O arquivo com estes dados foi retirado do site do DOE
(http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/cfm/weather_data.cfm, acessado em
25/05/2010). Para melhor analisar-se a influência da incidência solar, a cada variável se
atribuiu um dia de cada um dos quatro meses mais quentes do ano (dezembro, janeiro,
fevereiro e março). Foi também escolhido um dia de inverno, com relação à temperatura de
bulbo seco, para análise de necessidade de aquecimento no Salão, mesmo que tal sistema
nunca tenha sido instalado ou considerado necessário, possivelmente pela densa ocupação e à
maneira que os ocupantes se vestem no inverno. Neste dia de projeto de inverno a temperatura
13
é constante e o tempo é totalmente encoberto. A Tabela 3.2 mostra os dados para cada dia de
projeto.
Tabela 3.2 – Dias de projeto para o dimensionamento dos sistemas de ar condicionado.
Dia Mês Variável considerada tbs
[°C]
tbu
[°C]
w
[g/kg]
h
[kJ/kg]
VD
[°C]
21 12, 01, 02, 03 temp. de bulbo seco 34,9 24,6 15,2 74,2 9,8
22 12, 01, 02, 03 temp. de bulbo úmido 31,6 26,3 19,5 81,6 9,8
23 12, 01, 02, 03 conteúdo de umidade 28,3 25,9 20 80,1 9,8
24 12, 01, 02, 03 entalpia do ar 31,7 26,3 19,5 81,8 9,8
21 07 temp. de bulbo seco 4,1 4,1 5,1 16,8 0
tbs: temperatura de bulbo seco; tbu: temperatura de bulbo úmido; w: conteúdo de umidade, em g de
água por kg de ar; h: entalpia do ar atmosférico (igual a zero para tbs = 0°C e w = 0 g/kg);
VD: variação diária da temperatura.
3.5.3. Cargas internas
O levantamento dos ganhos internos de calor foi baseado em informações obtidas com a
Administração do Salão de Atos e em levantamentos feitos em visitas no local. Estas fontes
de calor se dividem em três categorias:
Pessoas: Algumas zonas, como o salão principal e o hall podem apresentar elevadas
densidades de ocupação durante os dias de espetáculos e estarem vazias nos demais períodos.
Outras são ocupadas constantemente, como a administração. No EnergyPlus, além da
quantidade de pessoas em cada ambiente, deve-se inserir os schedules, ou agendas, de
ocupação de cada zona e do nível de atividade de seus ocupantes. A Tabela 3.3 mostra os
níveis de ocupação máximos para os ambientes climatizados do Salão, bem como as taxas de
geração de calor metabólico dos ocupantes (ASHRAE, 2009).
Tabela 3.3 – Cargas térmicas devido à ocupação nos ambientes climatizados.
Zona Número pessoas Calor total dissipado por
pessoa [W]
Fração Radiante do
calor sensível
Salão Principal
plateia até³ 1.300 108 0,6
funcionários 10 180 0,58
artistas 50 250 0,5
Plenarinho 266 108 0,58
Camarins coletivos² 25 130 0,58
Camarns individuais¹ 3 130 0,58
Controles 3 130 0,58
Sala dos técnicos 2 130 0,58
Rouparia 1 130 0,58
Salas de Apoio¹ até³ 30 130 0,58
Circulação até³ 125 130 0,58
Hall até³ 150 130 0,58
Sala de autoridades 6 130 0,58
Administração¹ 3 130 0,58
Obs.: A divisão do calor total entre Latente e sensível é feita automaticamente pelo EnergyPlus.
¹ Valores para cada uma das duas salas iguais.
² Total para os cinco camarins coletivos.
³ Ocupação variável com o horário em relação ao espetáculo/evento.
14
Iluminação: Os ganhos internos de calor provenientes da iluminação são os mais
significativos na maioria dos ambientes climatizados, em especial nos camarins, que possuem
espelhos com bordas iluminadas, e no salão principal, com uma pesada carga de iluminação
cênica. Além da potência total em cada ambiente são inseridas as frações radiante (ondas
longas) e visível (ondas curtas) das lâmpadas. A fração convectiva restante é calculada pelo
programa com base nestes valores. Para lâmpadas fluorescentes a fração radiante é de 0.42 se
forem luminárias suspensas e 0.37 no caso de luminárias embutidas no forro, e a fração
visível sempre igual a 0.18 (EnergyPlus Manual, 2010). Para lâmpadas incandescentes,
devido à diversidade de valores encontrados na literatura e à variedade enorme de modelos e
concepções, adotou-se o valor médio de 0.8 para a fração radiante e 0.04 para a visível.
Da mesma forma como feito com a carga resultante da ocupação, as taxas de iluminação
seguem schedules que definem sua intensidade de acordo com o horário em cada ambiente.
Em todos os casos esses horários são coincidentes com os de ocupação. A Tabela 3.4 mostra
as intensidades levantadas para cada ambiente.
Tabela 3.4 – Cargas térmicas devido à iluminação nos ambientes climatizados.
Zona
Potência total de iluminação [W]
Fluorescentes Incandescentes
embutidas suspensas
Salão Principal - serviço - 1.840 9.900
Salão principal - cênica - - 90.000
Plenarinho - - 5.000
Camarins coletivos² - - 4.500
Camarins individuais¹ - - 930
Controles³ 460 - -
Sala dos técnicos³ 600 - -
Rouparia³ 750 - -
Salas de Apoio¹ - 320 -
Circulação 2.400 - -
Hall 1.560 - -
Sala de autoridades³ 480 - -
Administração - Dir/Esq.³ 600/340 - -
¹ Valores para cada uma das duas salas iguais.
² Total para os cinco camarins coletivos.
³ Baseados nos valores propostos pela ASHRAE para o tipo de ambiente devido a impossibilidade de
acesso ao local
Equipamentos elétricos: Apenas alguns ambientes apresentam equipamentos elétricos
de uso freqüente e que gerem cargas significativas. A Tabela 3.5 apresenta os equipamentos
considerados. O calor efetivamente1 dissipado pelos equipamentos foi retirado do ASHRAE
Handbook of Fundamentals 2010.
1 Segundo a bibliografia consultada para levantamento das potências dos equipamentos, à exceção de
equipamentos meramente resistivos, a potência informada na carcaça raramente corresponde àquela
continuamente dissipada.
15
Tabela 3.5 – Cargas térmicas dos equipamentos nos ambientes climatizados.
Zona Computadores com
monitor (100 W) Impressoras (30 W)
Projetor de vídeo
(300 W)
Salão Principal 4 - 2
Plenarinho 4 - 2
Controles 2 - -
Sala dos técnicos 2 - -
Administração¹ 3 2 -
¹ Valores para cada uma das duas salas iguais.
3.5.4. Vazão de ar de renovação
O ar de renovação provém diretamente do exterior e insere carga sensível e latente no
ambiente. Segundo a ABNT, 2008, a vazão de ar de renovação em ambientes como casas de
espetáculo deve ser de 3,5 litros por segundo por pessoa, mais 0,4 litros por segundo por
metro quadrado de área útil ocupada. Esses valores são inseridos no EnergyPlus e o programa
calcula a quantidade necessária para cada ambiente.
3.5.5. Sistema de ar condicionado
Além dos parâmetros de operação inseridos pelo usuário, internamente, o EnergyPlus
possui modelos que descrevem o funcionamento de diversos sistemas diferentes de ar
condicionado em resposta à maneira como foram configurados. Ainda que genéricos e não
relacionados com nenhum modelo específico disponível no mercado, os resultados são
bastante aproximados (Beyer, 2010). As temperaturas para as quais os termostatos estão
ajustados no inverno e no verão são de 22 e 25 °C, respectivamente, nos centros das zonas de
conforto térmico recomendada pela ASHRAE.
Os acréscimos de pressão dos ventiladores que insuflam ar nos ambientes foram
definidos em 200 Pa para os splits convencionais e 500 Pa para os de grande capacidade,
valores habituais encontrados no mercado. O restante do dimensionamento dos componentes
(serpentinas, condensadores, evaporadores, entre outros) foi feito automaticamente pelo
programa em função das cargas térmicas sensíveis e latentes a serem superadas, podendo o
usuário definir um fator para redimensionamento caso o resultado não seja satisfatório. Cabe
ainda mencionar que a carga térmica também depende do sistema adotado, pois dissipações
de calor dos componentes como moto-ventiladores também entram nos cálculos.
4. RESULTADOS
4.1. ESCOLHA DOS HORÁRIOS
O gráfico mostrado na Figura 4.1 mostra a análise preliminar da variação livre da
temperatura nas 15 zonas a serem condicionadas, simuladas durante os 17 dias de projeto. Os
quatro primeiros dias são os dias de projeto para temperatura de bulbo seco. Os quatro
seguintes são para temperatura de bulbo úmido, seguido por quatro de conteúdo de umidade e
por mais quatro de entalpia do ar. O último é o dia de projeto para temperatura de bulbo seco
no inverno. Como se pode observar no gráfico, dois comportamentos bastante distintos são
identificados: salas com variações grandes de temperatura ao longo do dia, cujos gráficos tem
aspecto de uma senóide, e salas onde a temperatura é mais constante, e em geral mais próxima
das zonas de conforto tanto no inverno como no verão. O gráfico mostra apenas as salas com
16
o comportamento mais representativo. Salas dos técnicos, rouparia, camarins coletivos e salas
da administração seguem o mesmo padrão da sala de controles mostrada no gráfico, embora
com temperaturas médias mais baixas. Estas salas possuem telhados expostos ao ambiente
externo, bem como algumas de suas paredes, e seus pisos delimitam outros ambientes
inferiores. São os ambientes mais sujeitos às variações climáticas ao longo do dia e ao longo
do ano. As temperaturas no hall também oscilam bastante ao longo do dia, devido à área
envidraçada de aproximadamente 80m², apesar de se manterem, em média, mais baixas,
devido à sombra do edifício da Reitoria da UFRGS.
O salão principal também possui notável oscilação da temperatura ao longo do dia, dada
a grande área de telhado e paredes externas. Entretanto, muitas de suas outras superfícies
também estão em contato com o solo ou outros ambientes, o que abaixa a média das
temperaturas. Pode-se notar ainda um atraso na hora de pico de temperatura, com relação à
sala de controles. A grande massa de ar e conseqüente inércia térmica deste ambiente é a
causa deste fenômeno.
Por fim, camarins individuais, circulação e salas de apoio seguem o mesmo padrão do
plenarinho, ainda que com temperaturas sempre maiores. Neste caso a temperatura é quase
constante ao longo do dia e mais próxima das zonas de conforto tanto no inverno quanto no
verão. Estas salas têm os pisos abaixo do nível da terra. As salas de apoio têm apenas uma
parede externa e uma janela cada; o plenarinho possui todas as paredes para o solo ou para
ambientes internos. Assim, estes ambientes estão menos expostos às variações climáticas
exteriores. Deve-se levar em conta ainda que o solo possui alta capacitância térmica e que sua
temperatura (que varia de 22 a 24 °C ao longo do ano) está sempre próxima àquela que se
deseja manter a sala, no inverno ou no verão.
Figura 4.1 – Variação livre da temperatura ao longo dos dias de projeto em alguns ambientes
do Salão de Atos.
Com base nesta análise, decidiu-se que os ambientes onde haja significante variação das
temperaturas ao longo do dia serão simulados de forma que o horário de maior temperatura
em oscilação livre e o de maior carga interna coincidam. Os horários considerados estão
4
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24
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Tem
pe
ratu
ra [
°C]
Data [mês e dia] e hora
Plenarinho
Salão Principal
Hall
Controles
17
mostrados na Tabela 4.1. O tempo de ocupação de cada uma foi estipulado com base na
função de cada sala. Para o inverno, os horários se mantiveram os mesmos, pois neste dia de
projeto a temperatura é sempre a mesma independentemente do horário.
Tabela 4.1 – Horários usados nas simulações dos ambientes.
Ambiente Horário simulado
Salão principal Sistema liga às 15 horas. Ocupação crescente até as 17
horas. Espetáculo até as 20 horas.
Plenarinho Ocupação das 18 às 20 horas. Sistema liga às 17 horas.
Camarins Coletivos das 18 às 20 horas.
Camarins Individuais das 15 às 17 horas.
Controles das 17 às 21 horas.
Sala dos Técnicos das 16 às 18 horas.
Rouparia das 15 às 21 horas
Salas de Apoio das 19 às 21 horas.
Circulação das 16 às 17 horas.
Hall das 16 às 17 horas.
Autoridades das 16 às 17 horas.
Administração das 8 às 18 horas.
4.2. RESULTADOS DO DIMENSIONAMENTO
Esta seção apresenta o resultado do dimensionamento feito para cada uma das zonas. A
Tabela 4.2 mostra as potências de projeto de resfriamento e aquecimento, as vazões máximas
calculadas para cada caso (ou seja, as vazões mínimas que cada ventilador deve insuflar), e a
vazão de ar exterior calculada de acordo com a norma da ABNT mencionada no item 3.5.4.
Tabela 4.2 – Resultado do dimensionamento dos sistemas de condicionamento de ar para as
15 zonas climatizadas do Salão de Atos da UFRGS.
Zona
Resfriamento Aquecimento Vazão máxima
de ar exterior
[m³/s] Potência
[W]
Vazão
máxima de
ar [m³/s]
Potência
[W]
Vazão
máxima de ar
[m³/s]
Salão Principal 380.032 12,840 222.118 5,470 5,400
Plenarinho 38.783 1,210 29.252 1,040 1,37
Camarins col.² 17.637 0,730 13.547 0,320 0,126
Camarins ind.¹ 2.632 0,106 3.002 0,080 0,022
Controles 11.874 0,610 11.252 0,302 0,047
Sala dos
técnicos 5.952 0,310 5.704 0,150 0,023
Rouparia 7.401 0,393 7.582 0,210 0,023
Salas de Apoio¹ 5.453 0,170 6.515 0,150 0,148
Circulação 2.835 0,880 31.600 0,569 0,569
Hall 30.643 1,130 29.211 0,610 0,609
Sala autoridades 4.287 0,160 3.915 0,089 0,042
18
Tabela 4.2 (cont.) – Resultado do dimensionamento dos sistemas de condicionamento de ar
para as 15 zonas climatizadas do Salão de Atos da UFRGS.
Zona
Resfriamento Aquecimento Vazão máxima
de ar exterior
[m³/s] Potência
[W]
Vazão
máxima de
ar [m³/s]
Potência
[W]
Vazão
máxima de ar
[m³/s]
Adm. Direita 5.924 0,313 3.896 0,096 0,030
Adm. Esquerda 4.121 0,222 2.387 0,057 0,021
¹ Usado o maior valor no caso de duas salas iguais. Nos dois casos a diferenças entre salas iguais dos
dois lados do prédio foi inferior a 7% para a carga de pico.
² Total para os cinco camarins coletivos.
As simulações mostram uma potência total de resfriamento de 550,65 kW, ou 156,6 TR,
e de aquecimento de 376,5 kW, ou 107 TR.
4.3. SELEÇÃO DE EQUIPAMENTOS
Todas as seleções foram da marca Carrier, recomendada por Beyer, 2010, pela sua
confiabilidade e proximidade da fábrica, localizada em Canoas, RS. Os equipamentos se
dividem basicamente em dois tipos: splits de grande capacidade, com as unidades
evaporadoras colocadas nas salas onde hoje estão os fan-coils, e splits convencionais, com as
unidades evaporadoras dentro dos ambientes. Primeiramente será apresentada a seleção de
equipamentos para os ambientes maiores, como segue:
Salão principal: O salão principal possui atualmente três fan-coils atendendo a plateia,
dois laterais e um central, e mais um para o palco, cada um com sua própria rede de dutos.
Como os resultados do EnergyPlus são globais para a zona, foi necessário fazer-se a
separação entre os equipamentos. Considerando-se as cargas internas (pessoas e iluminação),
o palco fica com 40% e a plateia com 60% da carga. Dentre os da plateia, a rede de dutos
existente considera, da vazão nominal total, 40% para cada um dos equipamentos laterais e
20% para o central (baseados nos valores mencionados no projeto original do sistema). Assim
optou-se por usar estes critérios na divisão entre as máquinas da potência total calculada para
a zona. A Tabela 4.3 mostra os equipamentos selecionados, com base nos catálogos Springer
Carrier (www.springercarrier.com.br acessado em 02/06/2010).
Cabe ainda ressaltar a carga latente na plateia é significativamente mais alta que no
palco, dada a massiva presença de pessoas. Como vazões de ar mais baixas favorecem a
retirada de umidade na serpentina de resfriamento, se faz necessário um estudo mais profundo
para definição das vazões no palco e na plateia, que podem ser ajustadas dentro de certos
limites para cada aparelho.
Tabela 4.3 – Seleção de equipamentos para o salão principal.
Pot. Projeto
[kW] Equipamentos
Platéia -
Laterais
(Cada um
dos dois)
90,4
Carrier Linha Split Alta Capacidade: Unidade condensadora
38GPA390 com unidade evaporadora 40MZB390T, para
capacidade nominal de 32,5 TR (114,3 kW). Capacidade
total no ponto de operação¹ de 108 kW com vazão de 4,96
m³/s.
19
Tabela 4.3 (cont.) – Seleção de equipamentos para o salão principal.
Pot. Projeto
[kW] Equipamentos
Platéia -
Central 45,2
Carrier Multi Split: Unidade condensadora 38MSC180 com
unidade evaporadora 40MSC180, para capacidade nominal
de 15 TR (52,75 kW). Capacidade total no ponto de
operação¹ de 52 kW com vazão de 2,22 m³/s.
Palco 154,1
Carrier Linha Split Alta Capacidade com duas unidades
condensadoras, 38GPA300 e 38GPA240 e uma unidade
evaporadora 40MZA540, para capacidade nominal de 45 TR
(158,3 kW). Capacidade total no ponto de operação¹ de 154,3
kW com vazão de ar de 8,5 m³/s
¹ Ponto de operação escolhido com base na norma ANSI/AHRI Standard 210/240: Temperatura de
bulbo seco de 35°C e temperatura de bulbo úmido de 20°.
Plenarinho, circulação e hall: Estes são os demais ambientes nos quais se usará splits
de grande capacidade. A Tabela 4.4 apresenta a seleção dos equipamentos para estes
ambientes. No caso da circulação, dado o comprimento dos corredores, existem dois
conjuntos de dutos independentes, cada um atendendo um lado e sendo alimentado atualmente
por uma unidade fan-coil diferente. Desta forma a carga para esta zona foi dividida em dois
equipamentos iguais.
Tabela 4.4 – Seleção de equipamentos para o hall, plenarinho e circulação.
Pot. Projeto
[kW] Equipamentos
Circulação
(Cada um
dos dois
lados)
13,9
Carrier Multi Split: Unidade condensadora 38MSC060 com
unidade evaporadora 40MSC060, para capacidade nominal
de 5 TR (17,6 kW). Capacidade total no ponto de operação¹
de 17,8 kW com vazão de 0,75 m³/s.
Plenarinho 38,8
Carrier Multi Split: Unidade condensadora 38MSC150 com
unidade evaporadora 40MSC150, para capacidade nominal
de 12,5 TR (44 kW). Capacidade total no ponto de operação¹
de 41,6 kW com vazão de 1,88 m³/s.
Hall 30,6
Carrier Multi Split: Unidade condensadora 38MSC120 com
unidade evaporadora 40MSC120, para capacidade nominal
de 10 TR (35,2 kW). Capacidade total no ponto de operação¹
de 35,3 kW com vazão de 1,55 m³/s.
¹ Ponto de operação escolhido com base na norma ANSI/AHRI Standard 210/240: Temperatura de
bulbo seco de 35°C e temperatura de bulbo úmido de 20°.
Como se pode ver pelos valores de vazão de cada equipamento, todos estão abaixo do
limite máximo para os dutos existentes, demonstrados na seção 3.2.1, não havendo
necessidade de alteração no sistema de distribuição do ar.
O aquecimento do ar para os equipamentos de grande capacidade é feito por resistências
elétricas fornecidas opcionalmente pelo fabricante. Entretanto, a maior capacidade disponível
20
para cada modelo (de 6 kW para os de 60 kbtu/h a 15 kW para os de de 180 kbtu/h) em
nenhum caso alcança o necessário para se atingir a zona de conforto de inverno. Assim sendo,
caso algum dia o aquecimento do Salão durante o inverno venha a ser considerado, outros
meios complementares devem ser buscados.
Demais ambientes: em todas as demais salas climatizadas serão utilizados
equipamentos split convencionais. Os modelos escolhidos são da linha MaxiFlex da Springer
e as informações foram retiradas do catálogo do fabricante (www.springercarrier.com.br
acessado em 02/06/2010). A Tabela 4.5 mostra as potências calculadas para estes ambientes,
os modelos selecionados e suas capacidades, suas vazões máximas informadas pelo
fabricante, a vazão necessária de ar exterior e a vazão total do ambiente, que é a soma das
duas anteriores. Para estes ambientes o ar de renovação deve ser fornecido por algum outro
meio, pois estes equipamentos apenas resfriam o ar no interior da sala sem adicionar ar
externo. Percebe-se ainda que a vazão total fornecida é sempre maior que a vazão máxima
calculada pelo EnergyPlus (Tabela 4.2), sinal de que os equipamentos escolhidos conseguem
suprir esta demanda.
No caso dos camarins coletivos, modelados como uma única zona térmica, a
capacidade calculada foi dividida entre os cinco camarins. No caso da rouparia e da sala dos
controles houve a necessidade de uso de dois equipamentos para se atingir a potência e vazões
desejadas, e no caso do segundo também para distribuir melhor o ar neste ambiente que é
bastante longo.
Tabela 4.5 – Seleção de equipamentos para os ambientes menores.
Sala
Potência
calculada
[W]
Capacidade do(s)
equipamento(s) selecionado(s)
Vazão
equip.
[m³/s]
Vazão
máxima de
ar exterior
[m³/s]
Vazão
total
fornecida
[m³/s]
Adm. Dir. 5.924 22 kbth/h (6.648 W) 0,292 0,030 0,322
Adm. Esq. 4.121 18 kbtu/h (5.276 W) 0,222 0,021 0,243
Autoridades 4.287 18 kbtu/h (5276 W) 0,222 0,042 0,264
Camarins Col.² 17.637 5 un. 12 kbtu/h cada (3.517 W) 0,153 0,025 0,178
Camarins ind¹ 2.632 9 kbtu/h (2.638 W) 0,141 0,022 0,163
Controles³ 11.874 2 un.22 kbtu/h cada (6.648 W) 0,583 0,047 0,630
Rouparia ³ 7.401 1 un. 18 kbtu/h (5.276 W)
+ 1un. 12 kbtu/h (3.517 W) 0,375 0,023 0,398
Salas Apoio¹ 5.453 22 kbth/h (6.648 W) 0,292 0,148 0,440
Técnicos 5.952 22 kbth/h (6.648 W) 0,292 0,023 0,315
¹ Valores para cada um dos dois ambientes iguais.
² Valores de vazão para cada um dos cinco camarins coletivos.
³ Valores de vazão totais para os dois equipamentos em uma mesma sala.
As potências de aquecimento para estes equipamentos são iguais às de resfriamento, e
estão acima dos valores necessários apresentados na Tabela 4.2.
21
5. CONCLUSÕES
No Capítulo 2 foram apresentados diversos estudos que comprovaram a capacidade do
EnergyPlus de simular com apreciável precisão o comportamento de edificações e sistemas de
condicionamento de ar, tornando válida uma análise deste tipo para o prédio do Salão de Atos
da UFRGS. No capítulo seguinte foram apresentados os parâmetros do problema. Algumas
hipóteses e aproximações foram necessárias, como no caso dos materiais que compõem as
paredes. Devido à ausência de registros encontrados sobre os materiais utilizados, e à
impossibilidade nesta etapa do projeto de se averiguar pessoalmente a composição interna das
paredes, pisos e tetos, a análise foi baseada em alguns pontos onde as camadas eram visíveis.
A simplificação de algumas características de geometria também foi necessária para a
inserção do modelo do prédio no software em tempo hábil, para diminuir a possibilidade de
erros e para não sobrecarregar a simulação. Quanto às cargas internas utilizadas nestas
simulações, elas representam situações extremas e pouco comuns de uso do Salão de Atos,
sem, entretanto, alcançar valores irreais.
Após a realização das análises chegou-se ao valor total calculado para a carga de
resfriamento de 156,56 TR, ou 550,6 kW. Os equipamentos disponíveis no mercado, em
geral, não apresentavam potências muito mais altas que os valores calculados para cada zona,
o que levou a capacidade a ser instalada a um valor de 179,5 TR, ou 631,3 kW, 15% maior
que o valor calculado. Este total está consideravelmente abaixo dos 240 TR do sistema
instalado em 1988. Entretanto, deve-se levar em conta que, à época do dimensionamento do
sistema atual não se fazia uso de softwares para o dimensionamento de instalação, e um
coeficiente de segurança maior era aplicado para se cobrir fatores desconhecidos.
Como sugestões para trabalhos futuros, a análise comparativa entre o consumo
energético do sistema de água gelada e split pode ser interessante para se escolher melhor o
sistema a ser adotado. Pode-se também refazer a geometria do salão principal, dividindo-o em
duas zonas distintas, pois na plateia as cargas latentes devido a ocupação são
proporcionalmente maiores que no palco, e uma seleção mais cuidadosa de equipamentos e
pontos de operação pode ser feita. Por fim, sistemas de controle mais rigoroso de umidade não
foram considerados neste projeto pois têm alto custo e provavelmente não serão instalados.
Umidostatos, reaquecimento do ar e vaporizadores são meios de se controlar a umidade e
podem ser inseridos no EnergyPlus em uma análise mais detalhada.
22
6. REFERÊNCIAS
ABNT, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NORMA NBR 16401-
3:2008: Instalações de ar-condicionado — Sistemas centrais e unitários – Parte 3:
Qualidade do ar interior. Rio de Janeiro, 2008.
AHRI - Air-Conditioning, Heating, and Refrigeration Institute. ANSI/AHRI Standard
210/240 - Performance Rating Of Unitary Air-Conditioning & Air-Source Heat Pump
Equipment. Arlington, USA, 2008.
ASHRAE – American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers,
Inc., Handbook of Fundamentals, SI Edition. Atlanta, USA, 2009.
ASHRAE – American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers,
Inc., Handbook – HVAC Applications, SI Edition. Atlanta, USA, 2007.
Beyer, P.O., Apostila de Conforto Térmico. Departamento de Engenharia Mecânica –
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2010.
BEYER. P.O., Comunicação Pessoal, 2010.
DOE – EnergyPlus,. EnergyPlus Manual, versão 5.0. www.energyplus.gov (acessado em
27/04/2010). Copyright 1996-2010 United States Department of Energy, 2010.
DOE – EnergyPlus, Weather Data Sources,
http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/cfm/weather_data.cfm (acessado em
25/05/2010).
Grings, E. T. O., Comparação entre Resultados Computacionais e Experimentais do
Comportamento Térmico de um Ambiente. Dissertação de Mestrado, PROMEC -
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2003
Hagel, A. de P. L. A., Análise Computacional da Demanda Energética de Climatização
de Edifício, Monografia (Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia Mecânica) –
Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto
Alegre, 2005.
Henninger, R. H.; Witte, M. J., EnergyPlus Testing with ANSI/ASHRAE Standard 140-
2001 (BESTEST), Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley,
California, 2004.
LABEEE – Laboratório de Eficiência Energética em Edificações, Arquivos climáticos,
www.labeee.ufsc.br (acessado em 25/05/2010).
23
Pro-Reitoria de Administração, Salão de atos: projeto de reforma do salão. Universidade
Federal do Rio Grande do Sul , Porto Alegre, 1988
Silva, C. J. S., Simulação Termoenergética de um Sistema de Ar Condicionado para
Comparação dos Resultados Medidos e Simulados. Monografia (Trabalho de Conclusão do
Curso de Engenharia Mecânica) – Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade
Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2003.
Springer Carrier – Catálogos dos produtos split das linhas Maxiflex, Multisplit e
Multisplit Alta Capacidade, www.springercarrier.com.br (acessado em 02/06/2010).
Teknotermo Engenharia ltda. - Plantas do Sistema de Ar Condicionado do Salão de Atos
da UFRGS. Projeto por Costa, E. C. e Costa, C. J., Porto Alegre, 1988.
Wallauer, M. D., Utilização do Programa EnergyPlus para Simulação do Conforto
Térmico em Eificações Populares em Quatro Capitais Brasileiras. Dissertação de
Mestrado, PROMEC - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2003.
7. BIBLIOGRAFIA CONSULTADA
Bazjanac, V., Acquisition Of Building Geometry In The Simulation Of Energy
Performance. Building Simulation Conference, Rio de Janeiro, 13 a 15 de Agosto de 2001.
Iu, I. S., Experimental Validation Of The Radiant Time Series Method For Cooling Load
Calculations. Dissertação de Mestrado, Graduate College of the Oklahoma State University,
Oklahoma, 2002.
Incropera, F.P., DeWitt, D.P., Fundamentos de Transferência de Calor e Massa. 4°
Edição, LTC Editora, Rio de Janeiro, 1998.
24
APÊNDICES
APÊNDICE A: Orientação e localização do edifício, divisão das zonas térmicas e
geometria modelada no Google SketchUp.
Figura A1 – Orientação e localização do edifício do Salão de Atos da UFRGS. Fonte: Google
Maps (www.google.com/maps).
Figura A2 – Primeiro nível das zonas modeladas.
25
Figura A3 – Segundo nível das zonas modeladas.
Figura A4 – Último nível das zonas modeladas.
Nota: em vermelho são mostradas as zonas condicionadas. As zonas com nome em preto
foram modeladas mas não condicionadas.
26
APÊNDICE B: Análise de alguns gráficos de resultados das simulações.
Os gráficos a seguir mostram as cargas de resfriamento sensível e latente para duas
zonas com comportamento distinto: o salão principal e a sala da administração.
A densidade de ocupação no salão principal chega a 0,85 pessoas por metro quadrado.
Como se pode ver no gráfico da Figura B1, a partir do quinto dia de projeto, onde a umidade
do ar é mais alta, a parcela latente da carga de resfriamento supera a parcela sensível.
Figura B1 – Carga de resfriamento para o salão principal durante os dias de projeto.
Para a sala da administração da direita, a densidade de ocupação fica em apenas 0,05
pessoas por metro quadrado. Neste ambiente as cargas sensíveis são sempre a maior parcela
do total, como mostra o gráfico da Figura B2.
Nota-se, assim, a influência dos ocupantes na introdução de umidade nos ambientes, e
conseqüentemente na natureza da carga térmica a ser removida pelo sistema de ar
condicionado. Através dos gráficos pode-se observar também que a carga sensível decai de
dezembro a março. Como para todos os dias de projeto que consideram uma mesma variável
(temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo úmido, conteúdo de umidade ou entalpia) as
condições climáticas são as mesmas, a única diferença entre os meses informados é a
incidência solar calculada pelo EnergyPlus com base na data escolhida.
27
Figura B2 – Carga de resfriamento para a sala da administração da direita
durante os dias de projeto.
APÊNCIDE C: Uso do EnergyPlus para simulação em períodos de tempo com arquivo
climático.
Além da simulação de dias de projeto, objetivo deste trabalho, o EnergyPlus é capaz
fazer simulações de períodos de tempo maiores quando usado o arquivo com os dados
climáticos anuais da cidade. Assim, podem-se levantar dados como consumo anual de uma
instalação, ou as épocas em que o condicionamento dos ambientes é necessário, entre muitas
outras análises. Como exemplo, fez-se a simulação da primeira semana do ano típico (TRY)
de Porto Alegre. A agenda de ocupação dos ambientes está mostrada na Tabela C1.
Tabela C1 – Uso dos ambientes durante simulação de uma semana do ano.
Final de semana - Uso do salão principal
15 - 17 h Ligar condicionamento, iluminação e equipamentos de todas as zonas, exceto
plenarinho.Ocupação crescente do hall,circulação, salas de apoio e camarins
17 - 20 h Ocupação total da platéia e palco e funcionamento da iluminação cênica.
20 - 21 h Desocupação do salão principal. Ocupação total da circulação e hall.
22h em
diante Desocupação total do prédio e desligamento do sistema de ar condicionado
Segunda e quarta-feira - Uso do plenarinho
16 - 17h Ligar condicionamento do hall, circulação, salas de apoio e plenarinho. Pequena
ocupação para o hall (20%).
17 - 19h Uso total do plenarinho, demais ambientes desocupados
19 - 20h Ocupação apenas do hall (20%).
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Tabela C1 (Cont.) – Uso dos ambientes durante simulação de uma semana do ano.
Segunda e quarta-feira - Uso do plenarinho
21h em
diante Desocupação total do prédio e desligamento do sistema de ar condicionado
Demais dias
Sem atividades
Nota: as taxas de ocupação se referem aos valores máximos apresentados na Tabela 3.2
Após a simulação, foi gerado o gráfico com as temperaturas das salas ao longo do
período simulado, para se avaliar se o dimensionamento do sistema está adequado. As
temperaturas de alguns ambientes para esta simulação estão mostradas no gráfico da Figura
C1.
Figura C1 – resultados da simulação de alguns ambientes durante uma semana em janeiro.
Podem-se observar as quedas nas temperaturas para cerca de 25°C quando os sistemas
de ar condicionado são ligados. Nota-se que as temperaturas quando o ar condicionado não
está em funcionamento não se mostram tão altas quanto nos dias de projeto, já que estes
representam condições extremas.